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作者:楊哲彰(2005-03-03)﹔推薦:徐業良(2005-03-07)
附註:本文為元智大學機械系「自動化機械設計」課程教材。

Protel電腦輔助電路設計軟體入門(3)電路模擬

Protel 99 SE除了電路設計之外,也提供電路模擬分析功能,使用者可以在繪製設計電路時,一併模擬電路的電氣特性。本文將以簡單的串並聯電阻電路、RC充放電電路、電源供應器、以及低通濾波器為例,分析個別的模擬結果,作為Protel 99 SE 電路模擬功能的使用入門,並說明相關應用。

1.     基本認識

電路模擬是在Protel的電路圖(Schematic)編輯模式下進行。首先任何模擬電路都必須存在電源或訊號源,利用下拉式功能表「SimulateèSources」或「ViewèToolbarsèSimulation Sources」開啟工具列圖示,可選擇電源或信號源,共分成直流電源、正弦波、以及脈波等三大類(圖1)。雖然功能表中僅列出幾種規格,但皆可由使用者自行修改,例如欲建立一個「+5 Volts DC」電源,可任意取用一個DC電源,然後在屬性設定時,直接於「Attributes」頁面的「Part Type」欄位給定電壓值+5V即可。至於正弦波信號源,於屬性設定時,可在「Part Field」頁面內設定頻率(Frequency)或振幅(Amplitude),脈波信號源同樣也可在此頁面中給定週期(Period)與脈波寬度(Pulse Width)等(圖2)。此外,進行電路模擬的零件,因為不牽涉後續的PCB佈線問題,因此不需要設定Footprint腳位,但每個零件的序號(Designator)仍然需要。

1. 模擬電源與信號源

2. 電源與信號源圖示以及其屬性設定

除了電源與信號源外,模擬電路同樣需要各個零件,但Miscellaneous Devices.lib零件庫內所提供的零件並不能用於電路模擬,此時需要載入電路模擬專用的零件庫。由設計管理器Browse Sch頁面下點選Add/Remove後出現如圖3選單,從選單內列出的資料庫中,選取Sim.ddb電路模擬資料庫,選取後按AddOK後即完成資料庫載入,此時回到電路圖編輯模式,會發現設計管理器Browse Sch頁面下多出許多資料庫,其中Simulation Symbols.lib為電路模擬零件庫,本文後續的電路模擬範例都將從此資料庫取用零件。此外,使用者於電路圖編輯時,往往需要各種不同的零件,除了預設的Miscellaneous Devices.lib零件庫之外,上述載入電路圖零件庫的步驟可以獲得由各家廠商提供的特殊零件,使用者若在Miscellaneous Devices.lib零件庫找不到零件,不見得要急著自己建立新零件,也許從這些額外的資料庫就可以找到想要的零件。

3. 載入其他零件庫

2.     電路模擬範例

2.1 串聯電路

進入電路圖(Schematic)編輯模式後,以上述方式取用一個+12Volts DC模擬電源,並從sim.ddb內的Simulation Symbols.lib中取出兩個電阻(RES),電路繪製如圖4的電路圖。電源屬性中的Designator設為V1,電阻屬性除了個別的零件序號(R1R2)外,Part Type也分別給定為「12K」與「22K」,代表其電阻值;接地符號屬性中的Net名稱設為「GND」,樣式(Style)則設為「Power Ground」。接著以在電阻R1兩端各給定一個節點,其屬性中的Net名稱分別設為「IN」與「OUT」。

4. 串聯電路

完成電路後,點選下拉式選單「SimulateèSetup」開啟電路模擬設定視窗(圖5),於「Select Analyses to Run」區塊中只勾選「Operating Point Analysis」進行點分析,接著點選下方「Available Signals」區塊與「Active Signals」之間的圖示,將所有信號都列為追蹤紀錄的對象;再選取「Show Active Signals」以表示出這些信號;完成設定後按Run Analyses即可進行分析。

5. 電路模擬設定

分析結果由一個*.sdf檔案顯示模擬結果,內容如表1所示。由結果得知輸入電壓(IN節點)為12V,輸出電壓(OUT節點)為7.765Vv1#branchV1電源所流通的電流,v1[z]V1電源迴路中的等效阻抗,r1[i]r2[i]分別代表流經R1R2的電流,r1[p]r2[p]為電阻的消耗功率,v1[p]為電源的輸出功率。由於模擬電路為串聯,因此v1#branchr1[i]r2[i]皆為352.9mAv1[z]34kOhms,使用者可以將這些數據與自行計算的結果相比較,應該會得到一致的結果。

1. 模擬結果

in                      12.00V

out                     7.765V

v1#branch               -352.9uA

v1[z]                   34.00kOhms

r1[i]                    352.9uA

r2[i]                    -352.9uA

r1[p]                    1.495mW

r2[p]                    2.740mW

v1[p]                   4.235mW

【實驗1

Protel自行繪製一個如圖6的簡單串並聯電路,並對這個電路進行模擬,輸出模擬後的結果。比較自行計算與軟體模擬的結果,檢查看看是否一致。

6. 串並聯電路

2.2 RC充放電模擬

這個範例將以RC電路為例,採用暫態分析(transient analysis)模擬電容的充放電特性。圖7為簡單的RC電路,電阻與電容規格如圖所示,此電路以脈波為訊號源,脈波信號源的屬性中Part Field頁面內設定如下:

l          AC Magnitude1

l          Pulsed Value12(即代表12V

l          Pulse Width1(秒)

l          Period2(秒)

7. 簡單 RC電路

上述信號源的設定即產生週期2秒、脈波寬度1秒的12V脈波,接下來的模擬設定選單中,將所有的信號都列入「Active Signals」中加以顯示,勾選與「Transient/Fourier Analyses」;接著切換至「Transient/Fourier」頁面(圖8),左邊為時間設定區塊,起始時間(Start Time)設為0,終止時間(Stop Time)設為2,步進時間(Step Time)與最大步進時間(Maximum Step Time)則設為10m。接著即可點選Run Analyses進行模擬。

8. 暫態分析設定

與先前的串並聯電路範例不同的是,此次RC電路充放電模擬採用暫態分析,因此將產生圖形化的輸出結果,圖9的曲線圖列出所有電路中各個元件與節點的模擬數據,設計管理器「Browse SimData」頁面下,點選「View」區塊內的「Single Cell」可個別顯示曲線,「Scaling」區塊內可調整尺度比例與偏移,「Measurement Cursor」區塊提供細部數據檢視(如圖10)。

接下來對這個模擬結果進行驗證,由圖9中「IN」節點電壓曲線可看出信號源週期為2秒,脈波電壓12V;圖10v1信號源輸出的電流曲線,與IN節點曲線對照可看出,01秒時v1信號源輸出12V電壓,此時C1電容為充電狀態,在接近起始時間的時候,v1信號源輸出最大的電流,而在約0.5秒後,v1信號源幾乎不輸出電流,此時代表電容幾乎已經充電達飽和,從圖11的阻抗曲線也可看出在接近1秒時阻抗上升到最大。而從1秒後,v1信號源輸出0V,圖10也顯示出C1電容在此時開始放電,1秒的瞬間有最大的電流從C1電容釋放出來,且圖11中的阻抗瞬間下降到趨近於零,約1.5秒時C1電容幾乎放電完畢。使用者也可對照檢視其他曲線,這些模擬結果以直覺上的判斷,應當合理。

在此可以自行計算一下這個RC電路的時間常數為,而通常5倍的時間常數即視為RC電路的充放電時間,因此對照「OUT」節點的曲線,利用「Measurement Cursor」功能可約略顯示出在0.5秒時11信號源輸出電壓為11.92V,非常接近12V,再依據電容的端電壓充放電公式:

                                                                                              (1)

經由式(1)的計算,在t=0.5秒時電容的端電壓為11.916V,由此計算結果顯示這個RC充放電電路的模擬結果是合理的。

9. 圖形化分析結果總覽

10. 個別顯示圖形化分析結果

11. 阻抗曲線

RC充放電電路,最典型的例子就是照相機的閃光燈,閃光燈內設有高存量電容,開啟閃光燈時,相機快門與電容的電能釋放同步,因此快門開啟時,閃光燈也就同時動作。另一個應用是汽車內頂燈的延遲設計,配合其他計時控制電路執行,頂燈在車門關閉後會延遲一段時間才熄滅。

【實驗2

同樣以第二個範例「RC充放電模擬」為例,試著改變電阻與電容的規格,重複上述步驟進行電路模擬,由模擬結果討論電阻與電容規格對電路充放電情形的影響。

2.3 簡易直流電源供應器

目前電源供應器可分為線性式(linear)與交換式(switching)兩類,圖12為簡易的傳統線性式電源供應器電路,工作流程主要分成降壓、整流、濾波以及穩壓四個步驟。市用110~120V交流電先經由變壓器降壓,成為相同頻率的低壓交流電源,接著經過由二極體構成的整流線路,將交流電源轉換成脈波。為了得到平穩的直流電壓,必須再以電容進行濾波,最後通常再以負載端之需求加上穩壓調節IC(U1),可得到更穩定的直流電源。

12. 簡易直流電源供應電路

繪製圖12電路時,以正弦波信號(V1)代表市用交流電源,屬性設定中「Part Fields」頁籤內頻率(Frequency)設定為60Hz,給定振幅(Amplitude)時須注意此處的振幅為峰值而非均方根值(RMS),因此以市用交流電(RMS 120V)為例,振幅應該設定為120/0.707=170VTRANSFORMER.LIB內提供基本的變壓器類型,本範例選用2TO1型號,變壓器最主要的規格就是一次線圈與二次線圈之間的匝數比例,同樣於零件屬性中的Part Fields頁籤內的「RATIO」欄位給定,本範例設為0.075,即代表二次線圈與一次線圈之匝數比值,二次線圈電壓為9V RMS

整流部分在此採用橋式整流(D1~D4),零件位於DIODE.LIB內,本範例選用1N4005型號。接下來加入穩壓調節晶體(U1),位於REGULATOR.LIB內,本範例選用78L05,代表其電壓輸出為5VC1C2電容則依照圖12所示給定。最後使用者對電路加入觀察節點(Node),本範例共加入ACINN1N2DC、與OUT5個節點,用來顯示接下來模擬的結果。本模擬僅需要勾選暫態分析(Transient Analysis)即可。

從模擬結果開始解讀電路特性,ACIN節點顯示輸入電源為60Hz,峰值電壓接近170V,相當於120V RMSN1N2用來觀測整流情形,N1處顯示與電源同相(in phase)的波形,N2則反相,此時可將N1N2圖形重疊,便可得到橋式整流的圖形(圖13)。接著觀察DC節點電壓(圖14),此處電源已經經過C1電容濾波,電壓於12V13V之間呈現規律震盪(漣波),接著再看看OUT節點(圖15),此處代表穩壓IC輸出的電壓,約維持在5V輸出,並伴隨較高頻率而微幅度變化。

13. 橋式整流波形(N1N2節點波形疊加)

14. 濾波後的漣波情形(DC節點)

15. 穩壓晶體DC 5V輸出(OUT節點)

【實驗3

改變圖12中的濾波電容大小,並觀察輸出變化。同時,也稍微改變並聯在穩壓晶體輸出端的小電容,觀察是否有何變化。

2.4 低通濾波器(LPF, Low Pass Filter)

在交流電路(類比電路)中若要移除某個頻率(頻帶)的信號,或保留某個頻率(頻帶)的信號,就得靠濾波器來達成,濾波器利用其線路中的電抗(reactance)特性,對特定頻率(頻帶)進行衰減,達到信號濾除的目的,濾波器可概略分為高通濾波器(High Pass Filter, HPF)低通濾波器(Low Pass Filter, LPF)帶通濾波器(Band Pass Filter, BPF) 與帶拒濾波器(Band Reject Filter, BRF),例如收音機的調整頻道,實際上就是一個帶通濾波器,藉由旋鈕控制VR,改變通帶來選擇收聽頻道。傳統的濾波器由RLC元件構成,亦有以半導體製程方式製作的IC濾波器;對於數位信號的濾波,通常必須由DSP晶片等元件處理,不在本文討論範圍。

建構如圖22LC低通濾波線路,L1電感為0.1HC1電容為0.05uF,電阻設為1KΩ,以正弦波為信號源,其屬性設定中頻率為10KHz,振幅設為1,交流放大(AC Magnitude)設為1。最後分別在信號源(V1)後端與負載(R1)前端放置兩個觀測節點(INOUT)。接下來進行模擬設定,本範例需要分析頻率特性,故採用「交流小信號分析(AC Small Signal Analysis)」,因此於設定表單中僅勾選「AC Small Signal Analysis」即可;切換至交流小信號分析設定頁面(圖17),設定分析頻率,起始頻率為1Hz,終止頻率為10K200個測試點。完成設定後即可進行模擬。

16. LC低通濾波器電路

17. 交流小信號分析設定

在解讀模擬結果之前,我們先自行計算一下這個電路的振幅響應曲線,參考圖16RC並聯組合的阻抗:

                                                                                               (2)

利用分壓定理可得:

                                               (3)

上式化簡後可得:

                                              (4)

將式(4)帶入此範例電路的各項參數可得:

       

                (5)

由式(5)可看出在時具有最大振幅響應,當頻率增加時振幅將會降低,我們也可以知道,在時,頻率,此即為截止頻率,以Hz為單位表示:。接下來觀察OUT節點的振幅波形(圖18),對照水平軸上的頻率顯示出頻率愈高,則振幅響應愈小。再看看v#branch節點顯示v1信號源的輸出電流,同樣也可以發現頻率愈高,輸出電流愈小,因此可以肯定模擬結果呈現低通濾波效果。進一步確認細節,在OUT節點圖形中開啟游標指示(Measurement Cursor),對照截止頻率2251Hz處時,振幅約在0.707V處,此結果與先前的計算相符合;接著檢視v1[z]節點資訊(圖19),此圖顯示從V1信號源“看出去”的等效阻抗曲線,說明不同頻率信號輸入下的阻抗情形,大略上頻率愈高則阻抗也愈高,我們可以自行計算一下在截止頻率(2251Hz)的阻抗為:

       

             (6)

以上式的結果對照此圖19,我們可以得到同樣的結果。

功率通常與振幅函數的平方結合,因此截止頻率可稱作半功率頻率,其上的點又可稱為半功率點,圖20為檢視v1[p]顯示v1信號源的輸出功率,在頻率為0的時候為1000mW,而在fc=2251Hz時則在500mW左右,為原始輸入振幅的一半。

18. LC低通濾波電路的振幅響應(OUT節點)

19. LC低通濾波電路的阻抗特性(v1[z]節點)

20. LC低通濾波電路v1信號源功率曲線

低通濾波器最典型的應用就是音響上的揚聲器(喇叭),喇叭上發出聲音的元件稱作單體(transducer),而大部分的單體都不是全音域設計,意即它無法呈現良好而寬廣的頻率響應,因此必須加以分工,喇叭內部設有分音器(即濾波器),較小的中高音單體連接高通濾波線路,只接受中高頻信號,因此只發出中高音域,低音單體則連接通過低通濾波線路的信號,只發出低音域的聲音,所以我們常常可以看見喇叭上有大大小小的單體,就是這麼一回事。除了揚聲器之外,低通濾波器幾乎都用來濾除雜訊用,有些電器產品為了能維持較高的訊噪比(S/N Ratio),會針對電源進行濾波來抑制高頻雜訊,採用以大型的電感器為主(或稱扼流圈,choke)的低通濾波線路,或直接裝設EMI濾波插座。一般家電產品的電源線或信號線常會附加濾波環(Ferrite Core,如圖21),這也是用來濾除高頻雜訊,是最省錢而簡單的做法,由圖中的阻抗曲線可知,濾波環主要針對數個MHz(即EMI雜訊)以上的高頻雜訊衰減。

21. 常見的濾波環與其阻抗特性

前面第3個範例中使用了變壓器,其實變壓器就是電感,因此也可以當做濾波器使用,有一種變壓器叫做「隔離變壓器」,這種變壓器的一次與二次側線圈的匝數相同,線圈電壓亦相同,因此實際上並無法變壓,然而隔離變壓器的鐵心對於高頻率的磁通變化具有自然衰減的現象,因此可隔離一次側與二次側線圈的高頻雜訊,故名「隔離變壓器」,常用於工業用途。此外,自動化機械設計課程講義【(2005-01-17)電路檢測基本工具操作介紹】單元中,曾提及信號產生器上的同軸信號線,同樣會因為線材本身的微量電容效應,對高頻信號衰減而形成低通濾波效果。

【實驗4

改變圖16中的電感或電容值,觀察並說明其濾波特性之改變,是否能與自行計算的結果相符。